JPH0223520B2

JPH0223520B2 -

Info

Publication number: JPH0223520B2
Application number: JP59182436A
Authority: JP
Inventors: Minoru Nishizawa
Original assignee: GAKEI DENKI SEISAKUSHO
Current assignee: GAKEI DENKI SEISAKUSHO
Priority date: 1984-08-31
Filing date: 1984-08-31
Publication date: 1990-05-24
Also published as: JPS6158895A

Description

【発明の詳細な説明】（発明の利用分野）この発明は、とくに−族化合物半導体の単
結晶を引上げる際に用いて好適な単結晶の育成装
置に関する。

（従来技術）この種の化合物半導体において、それが本来に
おいて持つ光学的、電気的特性を充分に生かすた
めには、その素材となる単結晶が高純度で、かつ
高い結晶の完全性を持つていることが必要であ
る。

一般にGaAs，GaP，InPのように融点が高く、
かつその融点において高い解離圧を示すものを引
上法によつて育成する場合には、高圧の不活性ガ
スを雰囲気として用いる他に、B₂O₃のような液
体封止剤で原料融液の上面を覆う、高圧液体封止
引上法が知られているが、実用に耐え得るほどに
純度が高く、とくに転位密度の小さな結晶が仲々
得られ難いため、実際問題としてGaAs単結晶の
育成法としては、水平ブリツジマシン法が広く行
なわれている。

しかるに、この方法による時には石英ボートや
石英封管からの不純物汚染や、育成された単結晶
の断面形状が円形とならない等の問題があるの
で、形状が円形とならない等の問題があるため、
最近ではこれをチヨクラルスキー法で育成するこ
とがさかんに試みられてる。

このチヨクラルキー法による場合には、水平ブ
リツジマン法による場合に比して高純度の単結晶
を得られるが、結晶の完全性の点で問題があり、
より転位密度の小さな結晶を得るべく、種々の研
究開発が日夜重ねられているところである。この
転位があると、この材料を用いた半導体デバイス
の電気的、光学的特性が悪くなつたり、異常を示
すことがよく知られている。

このような転位は、素子製作のプロセスで発生
する場合もあるが、基板となるGaAs単結晶中に
始めから存在しているものが大多数である。この
基板中に存在する転位は、主として単結晶の製造
時における熱歪によつて発生するが、この熱歪は
結晶内部に、例えば炉体内を高圧の不活性ガス雰
囲気とした場合に生ずる不活性ガスの対流によつ
て生ずる急激な温度勾配が原因となる場合もある
が、原料融液中に生ずる熱対流によつて、固溶界
面の温度分布が不均一となることがその大きな原
因であるとされている。

そこで、この熱対流を防止するために、単結晶
引上げに際して原料融液の表面より下方位置に引
上単結晶より若干大の直径を有する熱対流防止板
を浮かべる技術が開発された。この技術はとくに
原料融液中に生ずる中央より外側へ向けての熱対
流に対しては有効性が認められるものの、外側よ
り中央に向けての熱対流に対しては必ずしも充分
な防止効果を得られないという欠点があつた。

また、このものは、熱対流防止板にこれを移動
させる単数の移動棒を固着させる構成であつた
が、具体的な駆動段については何ら明らかにされ
ていなかつた。

これに対して、引上単結晶の直径より大きく、
ルツボの内径より若干小の熱対流防止板を原料融
液の表面より下方位置に浮力によつて浮かべ、原
料融液を対流防止板に設けた細孔、或は対流防止
板の外周とルツボの内周との間隙より原料融液を
対流防止板の上方へ導く技術があるが、原料融液
に粘性がある場合には、細孔及び間隙から上手く
原料融液が浸透せず、引上げに時間を要する他、
うつかりしていると単結晶引上げ部分に原料融液
の不足をきたすという問題もあつた。

（発明の技術的課題）この発明においては、とくに−族化合物半
導体のような、高い融点を持ち、かつ該融点にお
いて高い解離圧を示すものの単結晶を、チヨクラ
ルスキー法で製造するに当り、高純度でかつ転位
密度の小さな結晶を得るような装置を提供するこ
とを技術的課題とする。

（技術的手段）上記した技術的課題を達成するためにこの発明
は、耐圧耐熱製の電気炉と、この電気炉内に収納
されたルツボと、前記電気炉内で磁力利用の駆動
機構により駆動される単結晶引上軸と、同じく前
記電気炉内で磁力利用の駆動機構により駆動され
るルツボ支持棒と、前記ルツボ内に収納される隔
板と、この隔板を上部より押える少なくとも３本
以上の移動棒と、この複数の移動棒を上下方向へ
同時に移動させる磁力利用の駆動機構と、前記ル
ツボの外周に設けられた複数の加熱手段と、この
加熱手段を独立に制御する制御手段とで単結晶の
育成装置を構成したものである。

（作用）隔板によつて原料融液中に生ずる熱対流を阻止
して固溶界面へ影響を及ぼすのを防止できる他、
複数の加熱手段によつて単結晶引上げに最適な温
度勾配を造り出すことができ、磁力利用の駆動機
構によつて炉体内を高圧のガス雰囲気としても、
機密性を完全に維持した上でルツボ支持棒や単結
晶引上棒や隔板の移動棒をスムーズに移動させる
ことができるものであり、さらに隔板が単結晶引
上の間中常にルツボ内において所定の位置を安定
的に占めることができるものである。

実施例１図面に依れば、１は軸心部上下方向に小径肉薄
の筒体２，３を立設して成る完全密封構造、かつ
耐圧耐熱製の電気炉体であり、例えばステンレス
鋼製である。下部の筒体２内部には、周囲に磁力
利用の上下動駆動機構４と、同じく磁力利用の回
転駆動機構５を配したルツボ支持棒６が機密に収
納されており、このルツボ支持棒６の上端部に
は、例えばグラフアイト製の外ルツボ７ａと例え
ば石英製の内ルツボ７ｂとから成るルツボ７が載
置固定されている。上部の筒体３内部には、周囲
に磁力利用の上下動駆動機構８と、同じく磁力利
用の回転駆動機構９を配した単結晶引上棒１０が
機密に収納されている。ルツボ７の外側には、互
いに独立している例えばモリブデン線製のヒータ
ー１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄから成る加熱
手段１１が同軸上に配置されており、この各ヒー
ター１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ、図示して
ない熱電対の送つてくる信号を検出し、ルツボ７
内に上方に至るほど温度が低くなる所定の温度勾
配が造り出されるよう温度コントロールボツクス
１９によつて独立に制御されるようになつてい
る。ルツボ７内部には、例えばGaAsの原料融液
１２が収納されると共に、その上面を例えば、
B₂O₃等の液体封止剤１３が覆つており、単結晶
引上棒１０の先端に取りつけた種結晶１４を介し
てGaAs単結晶１５が液体封止剤１３を通して引
上げられつつある。

そして、原料融液１２の表面より下方の所定位
置には、ルツボ７の内径よりも若干小の外径を有
する隔板１６がその上面をルツボ７上部より垂下
させた移動棒１８，１８…によつて押さえられる
ことにより浮かべられている。この隔板１６はと
くに第２図に示したように、外周上面に波状を呈
した凹凸状の液切翼１６ａを設けたもので、例え
ばAl₂O₃（アルミナ）Si₃N₄（窒化シリコン）BN
（ボロンナイトライド）、或いはPBN（パイロリテ
イツクボロンナイド）製である。移動棒は例えば
BN製のもの３本で構成されており、その各々は
電気炉体１の上部に上部筒体を中心にして正三角
形を構成するように放射状に立設された上端部密
閉の筒体２０，２０より垂下され、磁力利用の駆
動機構２１，２１によつて、同時に上下動させら
れるようになつている。

液切翼はその他にも凹部の代わりに透孔を設け
たもの、或いは隔板の外周半径方向に凹凸或いは
透孔を設けたものが考えられ、これらの凹凸或い
は透孔のへりには液切効果を増すための刃を設け
ても良い。また、液切翼は単数の場合もある。

したがつて、ルツボ支持棒６、単結晶引上棒１
０、移動棒１８，１８…等の移動軸を磁力利用の
駆動機構で駆動させるようにしたので、電気炉体
１内部を高圧の不活性ガスで満たしても、炉体の
機密性は充分に維持され、かつ高圧中において移
動軸の移動がスムーズに図られるものである。

さらに、隔板１６の外径をルツボ７の内径より
若干小となるようにしたので、この隔板１６の下
部に生ずる原料融液１２の熱対流が中央から外側
に向かうものを始めとする外側から中央へ向かう
ものであつても、この隔板１６によつて阻止さ
れ、隔板１６上面には何の影響をも及ぼさない。
したがつて、第３図に示したように隔板１６上面
の固溶界面領域の温度は、隔板を用いない場合に
比して極めて安定したものとなつている。

また、この隔板１６によりこれを用いない場合
に比して、ヒーター１１ａ，１１ｂ，１１ｃを
1400℃ヒーター１１ｄを1200℃に維持した場合に
は、同じく第３図に示したように、ルツボの下方
で＋30℃B₂O₃の上面で−30℃の差があり、B₂O₃
からの輻射熱により引上単結晶に熱歪みが生ずる
のを可及的に防止することができた。

さらに、隔板１６の外周上面に波状を呈した凹
凸状の液切翼１６ａを設けた場合には、隔板１
６、或いはルツボ７の回転によりこの液切翼１６
ａの部分で原料融液１２を切り、これを隔板１６
下面より上面へ巻込み吸い上げるように機能する
ことになり、常に過不足なく隔板１６の外周より
固溶界面領域へ原料融液１２がスムーズに供給さ
れることになるので、隔板１６それ自身ランダム
に設けた細孔や、隔板を平坦に構成しその外周と
ルツボ内壁との間に設けた間隙より原料融液を浸
み出させるものよりは、この点で優れた効果を発
揮できた。

また、液切翼の形状、構造によつては、隔板１
６上面の原料融液の撹拌効果を促すことができ、
これにより単結晶の育成を早めることができる
他、若干温度の高い隔板１６下面の原料融液が、
該隔板１６の外周よりその中央部へ導かれること
になるので、このことによつても単結晶育成領域
の温度変動を押さえることができることが解つ
た。

さらに、加熱手段１１を軸方向に四分割したヒ
ーター１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄで構成
し、これが予じめプログラムされた温度勾配を送
り出すよう、図示してない熱電対等の測温手段に
よつて送られてくる信号によりコントロールボツ
クス１９で制御するようにしたので、ルツボ内に
単結晶引上げに伴う原料融液１２の液面低下を来
たしても安定した温度勾配を送り出し、転位の原
因となる熱歪みが発生するのをこの面からも可及
的に防止できるようになつている。

そして、ヒーター１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１
１ｄをモリブデン線とした場合には、第５図に示
したようにこのモリブデン線製ヒーターからの不
純物汚染は極めて小さなものとなることが解つ
た。また、第５図はその他の炉材、ルツボ等から
の不純物汚染の情況をも示している。隔板１６は
移動棒１８の先端に固着させても良く、その場合
は再度使用できるという利点があるが隔板１６が
ルツボにくつついてしまつた場合には、運転に支
障を来す他、覗き眼鏡の位置によつては、加熱前
の隔板１６を上昇させている状態において、これ
が覗き眼鏡の視界をさえぎる場合がある。

さらに、隔板１６が原料融液の上面より下方の
所定位置を保つようにするには、隔板１６を定位
置においてルツボ７を移動させても良い。

実施例２第１図乃至第２図に示した装置を用いて、
GaAs単結晶を引上げた。

まず、内径が90m/m深さ100m/mを有するル
ツボ４内へGaAs多結晶を1.700ｇ、その上に円盤
状のB₂O₃を300ｇ入れ、さらにその上面に隔板を
置いた。隔板はBN製のものを用いた。

次いで、ルツボ４を加熱手段１１内に置き、炉
体１内部を真空排気させた後、該炉体１をアルゴ
ン等の不活性ガスで百気圧まで加圧し、ヒーター
１１ａ，１１ｂ，１１ｃを1400℃にまで昇温さ
せ、ヒーター１１ｄを1200℃にまで昇温させて
GaAsを溶融させた。すると隔板１６は比重の関
係で約11m/mの厚さとなつたB₂O₃と原料融液上
との間へ浮かんだ状態となつた。この状態を図示
してない覗き眼鏡で見ていて、溶融を確認し、次
いで上方より移動棒１８，１８…を垂下させて隔
板１６を原料融液１２中へ埋没させ、その表面よ
り下方の該隔板１６の上面との間が17m/mとな
る位置にまで沈めた。

次いで、単結晶引上棒１９を降下させてその先
端に取りつけた種結晶１４をB₂O₃を通して原料
融液１２中へ浸漬させ、これを約8rpmで回転さ
せつつなじませると共に、ルツボ７を逆方向へ同
じく8rpmで回転させ、約15mm/Hrの速度で＜111
＞方向へ引上げた。

得られたGaAs単結晶は直径50m/m・長さ250
ｍ／ｍでエツチビツト密度も第４図に示したよう
に外周から10m/mの部分で1.2×10⁴cm^-2、外周
から15m/mで4.2×10³cm^-2、さらには外周から
20m/mで6.7×10³cm^-2であつた。これはブリツ
ジマン法で育成したものに較べても、転位等の欠
陥の極めて少ないもので、この発明方法による単
結晶育成方法は極めて優れていることが解つた。

尚、以上の説明ではGaAs単結晶の引上げの場
合につき説明したが、この発明方法及び装置はそ
の他の化合物半導体、例えばGaP、laP等の単結
晶引上げの際にも同様に実施できることは勿論で
ある。

（発明の効果）この発明は以上のように構成したので、炉体内
の高圧機密状態を維持した上で原料融液中の熱対
流が固溶界面に影響を及ぼすのを可及的に防止で
き、さらに単結晶引上げに最適な温度勾配を造り
出すことができることにより、転位密度の極めて
小さな単結晶を引上げることができるものであ
る。そして、その際に高圧ガス雰囲気の下でもル
ツボ支持棒や単結晶引上棒及び隔板の移動棒をス
ムーズに移動でき、単結晶の引上の間中隔板を原
料融液中の任意の位置に安定的に保持させておく
ことができる上に、隔板が覗き眼鏡の視界をさえ
ぎることもない等々の作用効果を奏し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を説明するための概略図であ
り、第２図は隔板の斜視図、第３図は温度勾配及
び温度変動を説明するための模式図、第４図はこ
の発明に係る育成方法を用いて製造したGaAs単
結晶の構造（エツチビツト密度）を示す写真、第
５図は不純物の含有状態を示す分析表である。１…電気炉体、６…ルツボ支持棒、７…ルツ
ボ、１０…単結晶引上棒、１１…加熱手段、１１
ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ…ヒーター、１２…
原料融液、１３…液体封止剤、１４…種結晶、１
５…単結晶、１６…隔板、１６ａ…液切翼、１
８，１８…移動棒、１９…温度コントロールボツ
クス。

Claims

【特許請求の範囲】１耐圧耐熱製の電気炉と、この電気炉内に収納
されたルツボと、前記電気炉内で磁力利用の駆動
機構により駆動される単結晶引上軸と、同じく前
記電気炉内で磁力利用の駆動機構により駆動され
るルツボ支持棒と、ルツボ内に収納される隔板
と、この隔板を上部より押える少なくとも３本以
上の移動棒と、この複数の移動棒を上下方向へ同
時に移動させる磁力利用の駆動機構と、前記ルツ
ボの外周に設けられた複数の加熱手段と、この加
熱手段を独立に制御する制御手段とを備えたこと
を特徴とする、単結晶の育成装置。２隔板がルツボ内壁との間に若干の間隙を生ず
る程度の直径を有するものであることを特徴とす
る、特許請求の範囲第１項記載の単結晶の育成装
置。３隔板が外周に液切翼を設けたものであるこる
ことを特徴とする、特許請求の範囲第１項記載の
単結晶の育成装置。４液切翼が隔板の円周方向に設けた凹凸である
ことを特徴とする、特許請求の範囲第３項記載の
単結晶の育成装置。５液切翼が隔板の少なくとも外周部分に設けら
れた透孔であることを特徴とする、特許請求の範
囲第３項記載の単結晶の育成装置。６液切翼が凹凸または透孔部のへりに刃をつけ
たものであることを特徴とする、特許請求の範囲
第３項記載の単結晶の育成装置。